CC BY
24
УДК 544.77.03
Г. А. Гайнанова, А. М. Бекмухаметова, Р. К. Мухитова, А. Ю. Зиганшина, Л. Я. Захарова
ТУШЕНИЕ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ПИРЕНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ДИМЕТИЛАМИНОМЕТИЛИРОВАННОГО РЕЗОРЦИНАРЕНА
Ключевые слова: тушение флуоресценции, резорцинарен, пирен.
Показано тушение флуоресценции пирена в присутствии диметиламинометилированного резорцинарена, связанное с образованием комплекса с переносом заряда. Проведен сопоставительный анализ в ряду соединений, являющихся структурными фрагментами исследуемого резорцинарена. Установлено, что тушение флуоресценции пирена происходит за счет эффекта предорганизации аминогрупп на макроциклической платформе.
Keywords: fluorescence quenching, resorcinarene, pyrene.
We have shown a strong quenching ofpyrene fluorescence in the presence of dimethylaminomethylated resorcinarene through the formation of charge-transfer complex. The comparative analysis of fluorescence quenching in the series of compounds which are structural fragments of resorcinarene has been carried out. It was established that the fluorescence quenching occurs due to the effect ofpreorganization of amino groups on the macrocyclic platform.
Введение
Одними из наиболее интересных объектов супрамолекулярной химии являются ка-ликс[4]резорцины - макроциклические тетрамеры, отличающиеся простотой получения и возможностью дальнейшей функционализации. Каликсарены, имеющие молекулярные полости, проявляют склонность к образованию различных соединений включения типа «рецептор-субстрат». Это свойство является основной причиной возникновения интереса к этим соединениям. Кроме того, на их основе возможно получение различных производных с целью улучшения практически полезных свойств (растворимости, конформационной подвижности, сродства к определенным субстратам и т.д.) путем введения заместителей на «нижний» и (или) «верхний обод» макроцикла, что открывает возможности использования данного класса соединений в качестве потенциальных наноконтейнеров.
Мониторинг рН среды является задачей исключительной важности для разных областей науки, в особенности для клеточной биологии [1]. Внутриклеточное изменение рН играет значительную роль в большинстве биологических процессов, происходящих в клетке; в лекарственной устойчивости; в ионном транспорте [2,3]. Аномальные значения рН, связанные с функциями клеток, их ростом и делением, наблюдаются у некоторых распространенных типов заболеваний (например, онкологические заболевания [4] и болезнь Альцгеймера [5]). Одним из методов детектирования изменения рН является использование люминесцентных индикаторов, у которых наблюдается включение/выключение люминесценции в определенном интервале рН. Однако многие внутриклеточные факторы оказывают существенное влияние на свойства индикаторов и могут приводить к ошибке измерения рН. Используемые в настоящее время люминесцентные датчики (производные флуоресцеина и пирена) имеют ряд ограничений, а именно, стабильность, проникновение через клеточную мембрану и чувствительность к компонентам клетки [1-3]. Поэтому поиск новых стаби-
лизаторов для флуорофоров является актуальной задачей. В качестве агента-стабилизатора нами использован диметиламино-метилированный тетра-сульфонаторезорцинарен (рис. 1). Выбранный ка-ликсарен водорастворим и биосовместим, а также является дитопным рецептором с рН-зависимыми свойствами, поэтому использование комплекса пи-рен-каликсарен позволит создать рН-зависимую супрамолекулярную систему с контролируемым тушением флуоресценции. В определенном диапазоне рН макроциклический стабилизатор может приобретать положительный заряд, что увеличивает сродство системы к природным полианионам и межклеточным мембранам. В качестве модельного субстрата для контейнирования выбран флуоресцентный зонд - пирен (Ру).
R
1 Я = СН2]Ч(СН3)2
2 Я = Н
Рис. 1 - Структурные формулы резорцинаренов Экспериментальная часть
Резорцинарены 1 и 2 (рис. 1) синтезированы в ИОФХ им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН по методике [6] и охарактеризованы методами ЯМР :Н и 13С спектроскопии и элементным анализом. Пирен и триэтиламин являются коммерческими продуктами компании Sigma-Aldrich. Приготовление всех растворов проводили с использованием бидистиллиро-ванной воды, очищенной на установке Бп"ес1-Р5 иУ (сопротивление воды 18.2 МОм-см при 250С). Исходный раствор пирена с концентрацией 6*10-4 М
приготовлен в этаноле. В каждую исследуемую серию растворов с различной концентрацией резорци-наренов 1, 2 или триэтиламина вводили по 5 мкл флуоресцентного зонда, чтобы концентрация пирена в кювете стала равной 1*10-6 М.
Спектры флуоресценции регистрировали на спектрофлуориметре Varian Cary Eclipse. Длина волны возбуждения пирена составляла 335 нм. Измерения проводили в кварцевых кюветах толщиной 1 см. Спектры испускания были записаны в диапазоне от 350 до 500 нм. Полученные результаты проанализированы с помощью программ Microsoft Excel и Origin Pro 8.5.
Результаты и их обсуждение
Ранее было показано, что морфолинометиле-новый тетраэтилрезорцинарен тушит флуоресценцию пирена [7] в щелочной среде за счет образования комплекса включения между резорцинареном и пиреном. Тушение протекает по модели «сфера в действии» и в качестве тушителей выступают NH2-и OH-группы, локализованные на верхнем ободе резорцинарена. В отличие от морфолинометилено-вого тетраэтилрезорцинарена, растворимого только в сильнощелочной среде (1 М NaOH), наличие сульфонатных групп на нижнем ободе производного 1 позволяет его использовать в водных средах при концентрации вплоть до 30 мМ [8].
Резорцинарен 1, подобно морфолинометиле-новому тетраэтилрезорцинарену, эффективно тушит флуоресценцию пирена в водной среде, даже без ее подщелачивания (рис. 2).
I, a.u.
1000
0 80
0.0002 0.0004
C, моль/л
Рис. 3 - Соотношение интенсивностей пиков флуоресценции пирена при 373-375 нм в отсутствие и присутствии резорцинаренов 1, 2 и триэти-
ламина от концентрации компонентов, C(Py) = 1x10"6 M
250С,
0.0000 0.0001
0.0002 0.0003 C, моль/л
0.0004 0.0005
360 380
460 480
Рис. 4 - Изменение соотношения интенсивности 1395/1375 для Ру в зависимости от концентрации 1, 2 и триэтиламина, 250С, С(Ру) = МО"6 М
Подтверждением образования комплекса между 1 и пиреном является изменение полярности микроокружения зонда при добавлении 1, что отражается в изменении соотношения интенсивности пиков флуоресценции пирена при 395 и 375 нм (рис. 4). Подобно морфолинометиленовому тетраэтил-резорцинарену, тушение флуоресценции пирена происходит по модели «сфера в действии» и описывается уравнением:
Рис. 2 - Спектр флуоресценции пирена в присутствии резорцинарена 1 различной концентрации Фгазб = 335 нм, 250С). Направление стрелки показывает увеличение концентрации резорцинарена 1 с 0 до 5х10-4 М
Добавление пирена (С = 1х10-6 М) к раствору 0.5 мМ резорцинарена 1 приводит к примерно 72-кратному падению интенсивности флуоресценции зонда (рис. 3). Резорцинарен 2 без аминогрупп на верхнем ободе практически не влияет на флуоресценцию пирена. Подобная картина наблюдается и для триэтиламина: увеличение его концентрации в водной среде не изменяет интенсивность флуоресценции (рис. 3). Из полученных результатов можно сделать вывод, что тушение флуоресценции пирена происходит за счет взаимодействия с аминогруппами верхнего обода 1 при инкапсуляции зонда в полость резорцинарена 1.
1о/1 = (1 + ХвхСч)ехр(охМхСч/1000),
где Ко - константа тушения, Сч - концентрация тушителя, и - объем сферы, N - число Аво-гадро. Константа тушения составляет Ко = 7656+350 М-1 (Я2=0.99987), а диаметр сферы ~ 30 А, что вполне соответствует полости резорцинарена 1.
Из полученных результатов можно сделать следующий вывод: несмотря на то, что пирен не может полностью погрузиться в полость макроцикла вследствие относительного большого размера, он может удерживаться его верхним ободом за счет эффекта предорганизации.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МК-6136.2014.3.
I395/I375
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
800
600 -
400 -
200
0-
340
400
420
440
500
520
X, нм
Литература
1. Horrochs A.R., Kearvell А., Tickle К., Wilkinson F., Trans. Faraday Soc., 62, 3393-3399 (1966).
2. J. Han, K. Burgess, Chem. Rev., 110, 2709-2728 (2010).
3. A. Roos, W. F. Boron, Physiol. Rev., 61, 296-434 (1981).
4. A. Abiko, S. Masamune, Tetrahedron Lett., 37, 1081-1084 (1996).
5. H. Izumi, T. Torigoe, H. Ishiguchi, H. Uramoto, Y. Yo-shida, M. Tanabe, T. Ise, T. Murakami, T. Yoshida, M. Nomoto, K. Kohno, Cancer Treat. Rev., 29, 541-549 (2003).
© Г. А. Гайнанова - к.х.н., доцент каф. физической и коллоидной химии КНИТУ, научный сотрудник кафедры органической химии КНИТУ, научный сотрудник лаборатории высокоорганизованных сред ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, [email protected]; А. М. Бекмухаметова - студент 4 курса кафедры технологии основного органического и нефтехимического синтеза КНИТУ (гр. 4111-11), [email protected]; Р. К. Мухитова - старший лаборант-исследователь лаборатории химии каликсаренов ИОФХ им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН, [email protected]; А. Ю. Зиганшина - к.х.н., с. н. с. лаборатории химии каликсаренов ИОФХ им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН, [email protected]; Л. Я. Захарова - д.х.н., зав. лабораторией высокоорганизованных сред ИОФХ им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН; профессор кафедры органической химии КНИТУ, [email protected].
© G. A. Gaynanova - Ph.D., Assistant Professor of Physical & Colloid Chemistry Department of KNRTU; researcher of Organic Chemistry Department of KNRTU; researcher of the laboratory of Highly Organized Media of the A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the RAS, [email protected]; A. M. Bekmukhametova - the 4th year student of the Technology of basic organic and petrochemical synthesis Department of KNRTU (group number 4111-11), [email protected]; R. K. Mukhitova - senior technician of the laboratory of Chemistry of Сalixarenes of the A. E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the RAS, [email protected]; A. Y. Z^ni^hm;! - Ph.D., senior researcher of Laboratory of Chemistry of Сalixarenes of the A. E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the RAS, [email protected]; L. Ya. Zakharova - Full Professor of Organic Chemistry Department of KNRTU; Head of the laboratory of Highly Organized Media of the A. E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the RAS, [email protected].
6. D.E. Korshin, R.R. Kashapov, L.I. Murtazina, R.K. Mukhitova, S.V. Kharlamov, Sh.K. Latypov, I.S. Ryzhkina, A.Y. Ziganshina, A.I. Konovalov, New J. Chem., 33, 2397-2401 (2009).
7. Sh. Pandey, M. Ali, A. Bishnoi, A. Azam, S. Pandey, H. M. Chawla, J. Fluoresc., 18, 533-539 (2008).
8. R.R. Kashapov, T.N. Pashirova, S.V. Kharlamov, A.Yu. Ziganshina, E.P. Zhiltsova, S.S. Lukashenko, L.Ya. Zakharova, S.K. Latypov, A.I. Konovalov, Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 35, 15891 (2011).
